基于操縱動作預測的履帶車輛載荷譜編制方法與流程

徐保榮 ,王濤 ,梁梓

(1.63966 部隊,北京 100072;2.陸軍裝甲兵學院 車輛工程系,北京 100072)

0 引言

履帶車輛和其他機械系統一樣,工作過程中會因環境、任務、工況的不同而承受多變的載荷作用,這些載荷是車輛系統對外部激勵和操作的響應,包含幅值、均值、頻次、次序等多種要素,這些要素的組合稱為載荷譜,它的表現形式多樣,可以是數學式、圖表,也可以是時歷數據。載荷譜是車輛設計的主要依據,如何編制全面反映車輛實際載荷的載荷譜,是履帶車輛設計、試驗、定型的基本依據。在設計階段,載荷譜為功能設計提供依據,在統計學意義下給出載荷極限值以及載荷交變規律。在試驗階段,載荷譜為耐久性試驗、可靠性試驗提供試驗臺加載載荷。在定型階段,載荷譜為裝備壽命估計提供載荷輸入。

當前應用于我國履帶車輛設計和考核的載荷數據多是通過專用試驗場試驗得到的“試驗載荷”,且樣本量有限;另外,很多事實表明,當前的載荷加載試驗存在試驗工況與實際使用工況不符、失效形式差異較大的問題。因此,如何利用前期試驗數據或實車測量數據,得到足夠多的具有各態歷經的樣本,以及可以代表載荷總體特征的一定長度的載荷樣本量,重現實際使用工況以及與使用工況相對應的載荷,編制有效可行的載荷譜,顯得十分重要。

本文針對上述問題,通過分析載荷影響因素,提出一種基于操縱動作預測的載荷譜編制方法。該方法以充分體現車輛實際訓練任務和快速生成載荷樣本為目標,先對訓練科目進行任務剖面分解,按照任務剖面構建載荷譜,再通過預測操縱動作,對已知相似工況載荷數據進行序列重組,從而得到載荷樣本。最后以某型高速履帶車輛的一個典型訓練科目為例,驗證了該方法的可行性,從而形成了一種能有效關聯車輛任務的載荷譜快速編制方法。

1 載荷影響因素分析

為反映試驗載荷和實際載荷的差異,以某型履帶車輛發動機的載荷參數分布情況,與某系列綜合傳動裝置臺架與裝車試驗的擋位分布情況進行說明。

圖1 是該發動機臺架試驗載荷參數統計圖,圖2 是該發動機實車載荷參數統計圖。由圖1 和圖2 可見,臺架試驗載荷與實車試驗載荷的分布明顯不同。大量統計結果也表明,發動機臺架試驗中的失效形式與實際使用中的失效形式差異很大。

圖1 發動機臺架試驗載荷參數統計Fig.1 Test load parameter statistics of engine bench

圖2 發動機實車載荷參數統計Fig.2 Test load parameter statistics of engine

圖3 是某系列綜合傳動裝置臺架與裝車試驗1～6 擋的擋位分布圖。圖中給出了3 種擋位分布,分別是依據國家軍用標準GJB 5210—2003 裝甲車輛綜合傳動裝置合架試驗方法制定的臺架試驗擋位占比分布、鑒定階段裝車后實車試驗中實車擋位占比分布、鑒定前科研驗證試驗中實車擋位占比分布?？梢钥吹饺叩膿跷环植济黠@不同,因此必然帶來載荷分布的差異。

圖3 某型車3 階段中傳動系統的擋位分布Fig.3 Distribution of gear shifts for a transmission system

另外,試驗載荷譜與實際使用工況對應的載荷譜不一致,未充分考慮因環境和人員不同而引起的載荷變化是主要原因之一。盡管訓練大綱、訓練教范、場地規范對駕駛員的技術動作和場地的環境特征有相同的要求,但由于人員差異和地域差異,這兩個因素產生的影響是不同的。例如,不同等級駕駛員對同一個換擋動作的換擋時機和換擋時間是不同的,這就對同一套傳動裝置形成了不同的載荷。再如,南方、北方都選擇平直土路,由于北方少雨,地面干燥,行駛阻力系數小,而南方多雨,地面濕滑,行駛阻力系數大,因此,即便是同一速度下行駛,行動和傳動裝置承受的載荷也不同。

人員引起的載荷變化實際上是操作規律的體現,這種規律是操作人員在特定的軍事任務中,按照當時的任務需求,針對特定的環境特征,依據自身的決策模型而實施的操作動作。任務需求就是訓練大綱、訓練教范的要求。操作動作使得車輛在實現動作過程中對外部環境作出響應,進而產生車輛及其部組件的載荷變化。這種關系可以由圖4 表示。

圖4 車輛載荷成因分析Fig.4 Cause analysis of vehicle load formation

當前的載荷譜編制方法,通常多關注虛線右側的內容,在幾類特定的試驗場地中按照指定的試驗步驟完成有限里程的小樣本試驗。實施過程中,試驗場地和試驗步驟是參照耐久性試驗或汽車相關試驗制定的,往往帶有很強的主觀性,對具體的環境和人員因素考慮不足。

從圖4 中可以直觀地看出,操作規律是融合任務、環境、人員信息后形成的綜合體,是體現車輛實際使用工況的關鍵。因此,一套更加合理的載荷譜編制方法是當前迫切要解決的問題。當車輛狀態和任務需求相對確定時,解決問題的關鍵就是設法明確環境特征和操作規律。

環境特征主要是地域特點和車輛地面作用關系的分析和總結。其他環境因素未體現,只將其產生的影響簡單合并為地面條件的變化。

操作規律既涉及任務需求到技術問題的轉換,又涉及決策模型邏輯的建立,還涉及環境特征與任務技術需求在決策模型中規則的建立。

2 基于訓練科目與決策模型的載荷譜編制方法

2.1 基本思路

首先明確訓練科目,然后對訓練進行任務剖面分解,最后按照任務剖面構建載荷譜。依據任務剖面形成載荷譜的方法通常有兩種;第1 種是使用車輛動力學模型仿真得到載荷的時序數據;第2 種是對相似工況載荷數據進行序列重組得到載荷的時序數據。這里按照第2 種方法進行實現。

任務剖面給出的是車輛意圖經過的地理檢查點、行為指令、車速約束、時間約束等內容。根據這些內容,結合先驗信息,可實現基于任務自動預測車輛路徑與動作,然后進行車速預測與動力傳動系統操縱預測,再利用譜塊選擇和譜塊拼接程序,可形成符合訓練科目的載荷譜?？傮w技術路線如圖5所示。

圖5 基于使用想定重構載荷譜的總體技術路線Fig.5 General technical route of load spectrum reconstruction based on scenario

技術實現過程包含以下步驟。

路徑規劃。依據任務剖面給出的地理檢查點,結合道路地圖提供的道路信息與可通行區域,利用Dijkstra 路徑尋優算法尋找連接相鄰地理檢查點(局部起點與局部終點)的可行運動路徑。

行動規劃。依據路徑規劃得到的運動路徑和任務剖面給出的行為指令、車速約束、時間約束,結合電子地圖以及地形信息中的高程、障礙拓撲、道路曲率等信息,利用動作預測算法尋找最優的時空路徑,形成動作序列,其包含路徑點序列以及路徑點對應的車輛預測位姿與預測車速。

操縱預測。依據動作預測得到的車速序列,結合操縱動作庫中的駕駛操作動作,利用決策模型預測可行的車輛操縱動作,形成操縱序列。

譜塊優選。依據車速序列、操縱序列,結合車輛參數、地理信息庫、載荷譜庫,利用查表法在載荷譜庫中選擇可行的載荷譜塊及其同步的車輛操縱動作,形成載荷譜塊序列與操縱動作塊序列。

譜塊拼接。載荷譜塊序列與操縱動作塊序列只是具備順序關系的離散的時歷數據集合,要生成試驗臺加載用的載荷譜與操縱動作序列,應使其具備連續性。這里利用基于梯度的方法對序列中相鄰載荷譜塊進行光滑過渡連接,基于邏輯推理法對序列中相鄰操縱動作塊進行連接,形成可用于試驗臺加載的負載載荷譜和動力傳動系統操縱動作序列。

此外,還需要如下一些資源數據,包括地理信息庫、操縱動作庫、載荷譜塊庫、車輛參數。

1) 地理信息庫。包括道路地圖、地形信息和地面條件構建方法研究。道路地圖包含道路拓撲信息和可通行區域信息。地形信息描述高程信息,可用于推導坡度。地面條件包含地面類型、土壤參數、不平度、阻力系數等信息。三者之間利用墨卡托投影坐標系關聯,統一存儲于數據庫。

2) 操縱動作庫。包括方向盤或操縱桿、油門、制動、換擋等操作。

3) 載荷譜塊庫。包括動力裝置負載、傳動裝置負載、車速、擋位、方向盤轉角或操縱桿位置、油門開度、制動踏板行程、車輛類型、車輛質量、坡度和地面類型。數據庫存儲動力裝置負載與傳動裝置負載的時歷數據。時歷數據按照對應的車速、擋位、方向盤轉角、油門開度、制動踏板行程、車輛類型、車輛質量、坡度和地面類型建立索引。

4) 車輛參數。包括車輛類型、車身尺寸參數、車輛質量、慣量、動力裝置類型、傳動裝置類型、行動裝置類型等信息。

2.2 路徑規劃方法

駕駛員在駕駛過程中,需要根據路況不斷調整行進路徑,以到達行進目的地,即路徑規劃。路徑規劃就是尋求一條從起始點到目標點的路徑,當車輛沿此路徑運動時不會與環境物體發生碰撞。路徑規劃需要預測從起始點經過途經點到達目標點,并且滿足約束條件的最優路徑。路徑規劃算法本質上是在解決任意兩點的最短路徑問題。路徑規劃分為全局路徑規劃和局部路徑規劃。

2.2.1 全局路徑規劃算法

全局路徑規劃是依據現有起始點、途經點、目標點及環境信息進行的完整路徑規劃。采用Dijkstra算法,針對帶權有向圖(見圖6),將起始點定義為源點,目標點定義為,途經點定義為、、、,為權重。最短路徑問題則抽象為從源點到帶權有向圖其余各點的最短路徑。Dijkstra 算法按照路徑長度排序求出最短路徑。

圖6 帶權有向圖Fig.6 Weighted directed graph

2.2.2 局部路徑規劃

在車輛行進過程中會遇到各種各樣的障礙,避障問題是路徑規劃中的一項主要研究內容,車輛遇到障礙通常需要繞行,使用漸進回歸避障方法解決車輛繞開障礙物的路徑規劃問題。所謂避障,就是車輛在遇到障礙時選擇正確的行進方向,繞過障礙區,然后繼續向目標點行進。在避障過程中,盡量減少因必須繞行而所走的路程,也就是最短路徑原則,因此,車輛必須不斷地修正自己的行進方向,力求做到行進方向與目的地方向的偏離度最小。

2.3 行動規劃方法

完成路徑規劃后需要對車輛的行駛方向和速度時刻進行控制,即進行動作預測。車輛行駛方向根據駕駛員期望的轉向角度進行預測,車輛行駛速度由駕駛員期望的速度進行預測。

2.3.1 駕駛員期望轉向角度

采用兩點法進行駕駛員期望轉向角度計算,兩點法原理如圖7 所示。

圖7 兩點法示意圖Fig.7 Schematic diagram of two points method

兩點法中定義了近點和遠點,對應著駕駛員在路上預測到的車輛未來可能行駛到的近處位置和遠處位置。車輛轉向角度定義為車輛行駛方向線和道路方向線的夾角。那么時刻車輛的轉向夾角α可以用(1)式表達:

式中:、和是擬合參數,通過試驗數據擬合得到;Δ為遠點在Δ時間內的角度變化量;Δ為遠點在Δ時間內的角度變化量;為近點在時刻的角度;為設定的一個最大的近點角度,用以限制轉向角度過大。

2.3.2 駕駛員期望車速

根據越野車輛訓練任務的特點,可以認為駕駛員車輛前方沒有其他車輛,此時可以采用車輛在道路上可能達到的最大速度作為駕駛員期望車速。

駕駛員的期望車速用(2)式表示為

式中:為道路容許的最大速度;為車輛容許的最大速度;為執行任務需要的速度。

2.4 操縱動作預測方法

確定了車輛期望轉向角度和加速度后,需要確定車輛操縱動作,從而控制車輛運動的方向和速度。

車輛操縱動作需要根據駕駛員意圖,結合駕駛員當前時刻可用的操縱資源進行預測。

2.4.1 車輛操縱資源適配

車輛操縱資源是指在某時刻車輛上可以被駕駛員操縱的裝置,如制動器、離合器、油門、方向盤等。當駕駛員期望車速與轉角產生后,生成新的駕駛操縱任務,并將任務按照權重存入任務隊列,然后對任務進行分析,得到需要的車輛操縱資源,同時根據駕駛員狀態查詢相應操縱資源是否可用,判斷是否可執行該操縱任務。

2.4.2 駕駛操縱動作預測

當操縱任務能夠執行時,需要根據任務目標來輸出操縱動作。操縱動作首先要保證操縱動作的子動作之間滿足正確的時序關系,否則,子動作的時序不正確會導致車輛物理模型無法運行或者出錯。其次,需要保證操縱動作的幅度正確。對于前者,采用層次任務網絡預測的方法解決。

層次任務網絡是基于知識的規劃技術。它利用任務網絡、域描述、狀態描述規劃任務,任務網絡定義了任務隊列和約束條件,域描述定義了預測算子、方法等信息,狀態描述定義了任務執行前后執行器與環境的狀態。

在層次任務網絡規劃過程中,駕駛操縱動作可以分為原語任務和復合任務,原語任務為操縱單個裝置可以完成的任務,符合任務是指需要操縱多個裝置才能完成的任務。

2.5 地理信息庫構建

駕駛教范中一般對駕駛訓練場地有明確的要求,這里將場地要求轉換為典型地面特征數據描述、地面模型構建方法研究。地面特征數據按道路類型、地面不平度、車輛與地面作用系數描述,并形成地面模型。地面特征數據按道路類型、地面不平度、車輛與地面作用系數描述。

地面不平度模型通常采用路面功率譜密度的形式表達,用表示路面不平度,根據國家標準GB 7031—1986 車輛振動輸入路面平度表示方法的規定,路面功率譜密度()的擬合表達式為

式中:表示空間頻率;表示參考空間頻率;()表示參考空間頻率下的路面譜值;表示頻率指數;為路面譜的上限空間頻率;為路面譜的下限空間頻率。

路面不平度一般認為是均值為0 的各態歷經過程,在已經給出路面不平度自功密度函數的情況下,可以用有限個離散空間頻率的三角級數來描述路面。

因此對于二維路面,路面不平度可以表示為(4)式,

式中:表示計算中正在使用的正弦波序號;為采用的正弦波總數;n表示第個空間頻率;l表示路面縱向位移;Φ表示相角,是個在(0～2π)區間均勻分布且相互獨立的隨機變量;α表示路面幅值,

n表示第個正弦波的上限空間頻率,n表示第個正弦波的下限空間頻率,為頻率指數。

對于三維路面,路面不平度可用(6)式表示:

式中:l表示路面橫向位移,可利用該式構造曲面作為車輛的路面邊界。

車輛與地面作用系數,如地面阻力、附著系數等需要通過車輛實車試驗獲取,利用試驗數據建立車輛與地面作用系數的系數庫。

2.6 操縱動作庫構建

依據2.4.2 節可知,車輛典型操縱任務可分為數字量操作任務、模擬量操作任務、邏輯操作任務和時序操作任務。因此操縱動作庫也包含上述任務。

1)典型數字量操作任務,包括電源總開關操作、警報按鈕操作、起動按鈕操作、變速桿操作。

2)典型模擬量操作任務,包括油門、主離合器、制動器和方向盤或操縱桿的操作。

3)典型邏輯操作任務,包括主離合器與油門的配合、方向盤與油門的配合。

4)典型時序操作任務,包括發動、主離合器起車、制動器踏板制動、聯合制動、停車、換高擋、換低擋、一般轉向。

2.7 載荷譜塊庫構建

載荷譜塊是指一定車輛狀態下有限時間內的車輛載荷譜。譜塊中包括動力裝置工況、傳動裝置負載、車速、擋位、方向盤轉角、油門開度、制動行程、車輛類型、車輛質量、坡度和地面類型。數據庫存儲動力裝置負載與傳動裝置負載的時歷數據。時歷數據按照對應的車速、擋位、方向盤轉角或操縱桿位置、油門開度、制動踏板行程、車輛類型、車輛質量、坡度和地面類型建立索引。

載荷譜塊可以采用實車試驗或虛擬樣機試驗的方法獲取。

1) 實車試驗獲取載荷譜塊

基于實車外場試驗,在試驗場或訓練場,按照訓練科目要求實施動作。同時使用傳感器采集動力裝置工況參數、傳動裝置轉矩、車速等車輛信息,并記錄地面條件等環境信息。通過對載荷數據按照操作動作進行分割,進而形成多通道同步載荷數據譜塊。

2) 虛擬樣機試驗獲取載荷譜塊

基于車輛動力學,針對典型車輛動作進行虛擬試驗,得到每個車輛動作的時序載荷譜塊。利用多體動力學軟件建立履帶車輛動力學仿真模型,利用MATLAB 軟件生成發動機外特性模型與等級隨機路面模型,將發動機模型與路面模型導入多體動力學(MBD)仿真軟件,按照指定操作工況仿真得到主動輪轉矩時間歷程。

仿真計算的主要工作在于建立履帶車輛的多體動力學模型,包括定義各部件的物理屬性、約束關系、接觸關系、導入柔性體文件、驅動力矩定義、構建路面模型。通過對載荷數據按照操作動作分割,進而形成多通道同步載荷數據譜塊。

3 方法驗證

以某型高速履帶車輛的駕駛練習項目“通過“S”形限制路”為例,對本文提出的載荷譜編制方法進行可行性檢驗。

3.1 任務介紹

假設訓練場地屬于遍布砂石的無坡度山路,地面不平度使用C～F 級路面近似,地面附著系數取0.5,地面阻力系數取0.06,最大地面轉向阻力系數取0.6。

行進路線上設立限寬出入口,布置3 個立樁(空心圓形)作為障礙物,如圖8 所示。

圖8 出入口與立樁布置圖Fig.8 Layout of entrance,exit and piles

3.2 編制流程

1)路徑規劃

預測路徑(實黑曲線)使用車輛質心位置軌跡表示,空心圓形為立樁,實心方形為起點,實心五角形為終點,如圖9 所示。

圖9 預測路徑Fig.9 Prediction path

2)行動規劃

根據路徑基于行動規劃算法和駕駛操作規范,得到車輛行動流程:2 擋起步;2 擋換3 擋;3 擋進入S 形限制路;保持平均速度達到教范規定速度;3 擋右轉向跟隨路徑;3 擋左轉向跟隨路徑;3 擋右轉向跟隨路徑;3 擋左轉向跟隨路徑;3 擋加速離開;制動停車。

3)操縱動作預測

每個行動都是一系列單一操縱動作按照一定時序進行的組合。

以上述行動中“2 擋換3 擋”為例,按照層次任務網絡規劃對復合任務“2 擋換3 擋”進行動作預測,得到該過程的操縱動作時序為維持油門踏板、松開油門踏板、踏下主離合器踏板、摘2 擋、掛3 擋、松開主離合器踏板、踏下油門踏板、維持油門踏板。通過給操縱動作賦予歸一化的水平值,動作序列可按照先后次序形成操縱動作邏輯序列,如圖10 所示。

圖10 “2 擋換3 擋”操縱動作邏輯序列Fig.10 Logic sequence of“shift from the second gear to the third gear”manipulating action

4)操縱動作塊選擇

按照操縱動作邏輯序列,從操縱動作庫中選擇典型時序操作任務“換高擋”,以動作水平為輸入查表得到可能的操縱動作塊,圖11 所示為其中一個可能的“2 擋換3 擋”操縱動作塊。

圖11 “2 擋換3 擋”操縱動作時序塊Fig.11 Time series block of“shift from the second gear to the third gear”manipulating action

5)譜塊選擇

依據上文4)中選出的操縱動作塊從載荷譜塊庫(基于人在環MBD 仿真數據建立)中找到對應的載荷譜塊形成的譜塊備選集,以車速和地面阻力系數為輸入,查表得到車速偏離最小的載荷譜塊,圖12 所示為車速偏離最小的“2 擋換3 擋”載荷譜塊。

圖12 “2 擋換3 擋”載荷譜塊Fig.12 Load spectrum block of“shift from the second gear to the third gear”manipulating action

3.3 編制結果

根據單一操縱動作的譜塊進行組合形成行動組合,進而形成完整譜塊序列。將動作序列拼接生成時序載荷,如圖13 所示,可見圖13 中顯示的兩側主動輪轉矩曲線形態符合運動邏輯。

圖13 兩側主動輪上的轉矩Fig.13 Torques on driving wheels of both sides

為了檢驗載荷數據對實際工況的復現程度,構建MBD 仿真環境(與構建載荷譜塊庫的仿真條件一致),將生成的轉矩曲線加載到主動輪上驅動車輛仿真模型進行逆向仿真,將逆向仿真得到的路徑與預測路徑同時繪制于圖14 進行對比。由圖14 可以看到二者趨勢吻合,但在縱向和橫向位置都存在偏移,沿縱向位置的橫向最大誤差為18.3%,橫向平均誤差為12.7%。

圖14 逆向仿真路徑與預測路徑對比Fig.14 Comparison of reversely simulated path and predicted path

綜上所述可知,拼接生成的載荷數據可以正確地反映車輛工況,但精度需要進一步提升。

4 結論

1)本文提出的方法在操作上具有可行性,該方法既能有效關聯車輛實際任務,又能在短時間內快速生成大量車輛載荷數據樣本。

2)該方法的關鍵是通過軌跡規劃和動作規劃方法,有效地預測車輛行駛路徑與駕駛員操縱動作,從而找到對應的載荷譜塊并進行快速拼接,形成與實際工況相符的有效載荷譜,為耐久性臺架試驗、可靠性臺架試驗、裝備壽命估計提供與實際情況近似一致的有效載荷輸入。